（电路与系统专业论文）无线通信中空时编码的研究.pdf

摘要空时编码技术是近年来在无线通信领域中新兴的一个研究领域，它的主要目的是用来解决无线通信中下行传输信号多径衰落的问题。空时编码通过天线分集技术，将时间域信号处理技术和空间域信号处理技术有机地结合起来，充分利用了信号空间处理与信道的空间和时间的特性，有效地改善了分集增益和编码增益，并有效地消除干扰和抗多径衰落，从而大幅度提高了无线通信系统的容量，为解决无线通信中的带宽问题提供了一条新的解决方法。本文首先回顾了多输入多输出系统及其信道容量问题，讨论了发射和接收分集技术，并在此基础上引出空时编码的讨论，详细地分析了三种基本的空时编码技术：分层空时码、空时格码和空时分组码：针对正交空时分组码，深入地研究其编码设计和译码方法，并给出了一种简化的最大似然译码方法；同时，也对级联编码方案进行分析，尝试将正交空时分组码和卷积码相级联，在保持已有分集增益的情况下提供一定的编码增益。本文的主要工作在于：1 给出一种空时分组码的简化最大似然译码方法。在分析空时分组码译码算法的基础上，从星座映射的几何结构出发，对传统的最大似然译码方法进行简化，仿真的结果表明，同传统的最大似然译码方法相比较，该简化译码算法可以在不影响误比特率的情况下，至少可以降低4 0 的译码所需操作数，因此在很多程度上降低了译码过程的计算复杂度。2 研究了卷积编码和正交空时分组码的级联。将空时分组编码作为内层编码，卷积编码作为外层编码，在保持空时分组码分集增益的情况下，提供一定的编码增益。仿真结果表明，这种级联编码方案在给定误比特率的条件下，可以提供相应的编码增益。3 完成了一个软件仿真平台。该仿真平台基于m a t l a b 开发软件，给出了q p f i k 、8 p s k 、1 6 a p s k 等映射下，使用不同接收天线数目时级联卷积码和空时分组编码后获得的误码率曲线图。关键词：多输入多输出发射分集空时编码最大似然译码级联编码a b s t r a c tt h es p a c e t i m ec o d i n g ( s t c ) isan e wr e s e a r c hf i e l do fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n si nr e c e n ty e a r s t h et e c h n i q u ei sm a i n l yd e s i g n e dt os o l v et h em u l t i p a t hf a d i n gi nd o w n l i n kt r a n s m i s s i o n b yc o m b i n i n gt h et e c h n i q u e so fs i g n a lp r o c e s s i n gi nt i m ea n ds p a c ed o m a i n sw h i c hu t i l i z et h es p a c ep r o c e s s i n go fs i g n a la n ds p a c ea n dt i m ec h a r a c t e r i s t i c so fc h a n n e l ，s t ci m p r o v e st h ed i v e r s i t yg a i na n dc o d i n gg a i nr e m a r k a b i y ，a sw e l la se l i m i h a t e st h ei n t e r f e r ea n dc o n t r a d i c tm u l t i p a t hf a d i n ge f f e c t i v e l y s os t ci n c r e a s e st h ec a p a c i t yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ng r e a t i y t h i st e c h n i q u ep r o v i d e san e ws o l u t i o nt ot h ep r o b l e mo f1 i m i t e db a n d w i d t hj nw i r e 】e s sc o m m l j n jc a t i o n i nt h i sp a p e r ，t h em u l t i i n p u ta n dm u l t i o u t p u t ( m i m o ) a n dt h ec h a n n e lc a p a c i t yw e r er e v i e w e d ，a n dt h et e c h n i q u e so ft r a n s m i ta n dr e c e i v ed i v e r s i t i e sw e r ea l s od i s c u s s e d o nt h eb a s i so ft h e s ed i s c u s s i o n s ，s p a c e t i m ec o d i n gw a si i tl iu d u c e d ，a n dt h z e et y p i c a ls p a c e t i m ec o d i n g ，l a y e r e ds p a c e t i m ec o d i n g ( l s t c ) ，s p a c e t i m et r e l l i sc o d i n g ( s t t c ) a n ds p a c e t i m eb l o c kc o d i n g ( s t b c ) ，w e r ea n a l y z e d a i m i n ga tt h es t b c ，as i m p l i f i e dm a x i m u ml i k e l i h o o d ( m l ) d e c o d i n ga l g o r i t h mw a sp r o p o s e da f t e ri n v e s t i g a t i n gt h ec o d i n ga n dd e c o d i n go fs t b cd e e p l y m e a n w h i l e ，t h ec o n c a t e n a t e ds c h e m eo fc o d i n gw a sa l s oa n a l y z e d ，a n dt h ec o n c a t e n a t i o no fs t b ca n dc o n v o l u t i o nc o d i n g ( c c ) w a sa p p l i e dt op r o v i d es o m ec o d i n gg a i n sw h il ek e e p i n gt h ed i v e r s i t yg a i n s i nt h i sp a p e r ，t h ef o l l o w i n gw o r k sw e r ed o n e ：1 as i m p l i f l e dm ld e c o d i n ga l g o r i t h mo fs t b c f r o mt h eg e o m e t r yo ft h ec o n s t e l l a t i o nm a p p i n g t r a d i t i o n a lm la l g o r i t h md e c o d i n gw a ss i m p l i f i e db a s i n go nt h ea n a l y s i so fd e c o d i n ga l g o r i t h mo fs t b c t h er e s u l to fe m u l a t i o ns h o w e dt h a tt h es i m p l i f i e da l g o r i t h mc a nr e d u c e st h ec o m p u t a t i o nc o m p l e x i t yo fd e c o d i n ga n dm o r et h a n4 0 r e d u c t i o no ft h et o t a ln u m b e ro fo p e r a t i o n sf o rd e c o d i n gw a sa c h i e v e d ，w h il en o ti n f l u e n c i n gt h es y m b o le r r o rr a t e ( s e r ) 2 t h ec o n c a t e n a ti o no ft h es t b ca n dc c t h es t b cw a st r e a t e da st h ei n n e rc o d i n ga n dc ca st h eo u t e rc o d i n g ，w h i c bp r o v i d es o m ec o d i n gg a i n sb u tn o ti n f l u e n c et h ed i v e r s i t yg a i n t h er e s u l t so ft h em a t l a b se m u l a t i o ns h o w e dt h a tt h es c h e m ec a np r o v i d e sc o r r e s p o n d i n gc o d i n gg a i nw i t ht h eg i y e nb e r 3 as o f t w a r es i m u l a t i o np l a t f o r mb a s e do nt h em a t l a b ，w i t hd i f f e r e n tn u m b e r so fr e c e i v i n ga n t e n n a s ，t h eb e r so ft h es c h e m ec o n c a t e n a t i n gc c：a n ds t b cw e r eo b t a i n e du n d e rd i f f e r e n tc o n s t e l l a t i o nm a p p i n g s ，n a m e l y ，q p s k ，8 p s ka n di6 a p s km a p p i n g s k e y w o r o s ：i 埴u j i _ j n p u ta n dm u i i i o u i p u ，i r a n s m i td i v e r s i t y , s p a c e t i m ec o d i n g ，m a x i m u ml i k e l i h o o dd e c o d i n g ，c o n c a t e n a t i o nc o d i n g第一章绪论第一章绪论1 , 1 研究背景及意义未来无线通信系统要求比现今系统具有更高的数据率和可靠性，因为诸如视频电话等一些高数据率服务变得越来越普遍，因而对提高这些服务的网络的需求也在不断的增加。当越来越多的客户都竞相竞争这有限的无线资源时，提供高质量的服务就成了急需解决的任务。然而对无线通信来说，带宽的限制、传播的衰减、信道的时变特性、噪声干扰、多径问题以及码间串扰等等问题都严重制约着无线通信业务的发展。最近十年来，随着因特网和移动通信的快速发展，在第三代蜂窝移动通信中已经开始引入了无线因特网和多媒体业务。而在新一代移动通信系统( 即所谓的b e y o n d3 g 或4 g ) 中，人们对传输速率提出了更高的要求，这就需要采用更先进的技术来实现更高的传输速率。但是频谱资源总是有限的，要支持高速率就要开发具有极高频谱利用率的无线通信技术。最近几年来的研究表明，多进多出f m i m o ：m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 技术可以显著提高无线系统的频谱利用率。实验室的研究证明，采用m i m o 技术在室内传播环境下的频谱效率可以达到2 0 4 0 b i f f s h z ：向便用传统无线通信技术在移动蜂窝中的频谱效率汉为1 5b i t s h z 。m i m o 技术作为提高数据传输速率的重要手段得到人们越来越多的关注，已经被认为是新一代无线传输系统的关键技术之一。m i m o 是指在发射端和接收端分别采用多个发射天线和接收天线，而传统的通信系统是单进单出( s i s o ：s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ) 系统。贝尔实验室的g j f o s c h i m 在他的论文 1 】中首先论证了理论上的m i m o 信道的香农容量。指出，使用m 信道矩阵描述m 副发射天线和副接收天线系统的无线信道，如果n xm 信道矩阵的元素间具有理想的独立衰落，系统信道容量将会随发射方和接收方天线数中最小一方的天线数m i n ( n ，m ) 的增加而线性增加。这可以在s i s o基础上成倍地增加系统容量。同时，f o s c h i n i 还开发了用于m i m o 系统的实际发射接收算法，这就是著名的贝尔实验室分层空时码( b l a s t ) 算法。后来另外一个突破性的方案，即空时编码的思想由a t & t 实验室提出 3 】，它将时间域信号处理技术和空间域信号处理技术有机的结合起来，充分利用信号空间处理与第一章绪论信道的空间和时间的特性，有效地改善了分集增益、编码增益，并有效地消除干扰和抗多径衰落，从而提高了m i m o 系统的容量，因而吸引了大量的研究开发人员和工程技术人员进行更深入的研究。空时处理技术主要包括空时估计( s p a c et i m ee s t i m a t i o n ) 、空时检测( s p a c e t i m ed e t e c t i o n ) 、空时分集( s p a c e t i m ed i v e r s i t y ) 、空时编码( s p a c e t i m ec o d i n g ) 和空时波束成行( s p a c e t i m eb e a m f o r m i n g ) 等。本文着重关注空时处理技术中的空时编解码技术，并对此进行深入的研究。1 2 相关研究综述1 9 9 6 年，贝尔实验室的f o s e h i n i 等人第一次提出了空时的概念，给出了分层空时码技术的架构 1 1 ，并在此基础上开发出了b l a s t ( b e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e t i m e ) 实验系统。随后，1 9 9 8 年，美国a t & t 的t a r o k h 等人在发射延迟分集的基础上正式提出了基于发射分集的空时编码 2 】。同时，a l a m o u t i 3 提出了一种简单的发送分集方案，接着在1 9 9 9 年，t a r o k h 等【4 】把它进一步推广，提出了空时分组编码。h u g h e s s 为了避免空时编码译码时的过多的信道估计，提出了差分空时编码当发送端和接收端都知道信道状态信息时，双方都可队遍辽米用”汪水”t w a m rm n n g ) 原连未逼近信道容量，在此基础上，r a l e i g h 6 提出了s t v c ( s p a c et i m ev e c t o rc o d i n g ) ，后来又把s i s o 信道的d m t o f d m 中的循环前缀和f f t 的思想应用到多天线中，提出了m d m t ( m u l t i v a r i a t ed i s c r e t em u l t i t o n e ) 7 1 。所有这些都扩展并推动了空时理论和技术的发展，同时也给无线通信带来了广阔的前景。由于空时技术充分地利用了多发送天线的空间分集和采用信道编码和交织的时间分集，从而得到了很高的分集增益并有效的提高了无线频谱利用率。从目前来的研究成果来看，空时码的使用使得移动通信系统具有更大的系统容量、更高的频谱效率和更好的通信质量，因此空时编码是一项很有潜力的技术，有着很好的应用前景，所以空时编码机制也因此被纳入第三代移动通信的标准( i m t - - 2 0 0 0 ) 中。因为空时技术在无线通信中的诸多优点，很多科研人员将其与无线通信里其它的编码、调制技术相结合起来，都取得了令人可喜的结果。比如，t u r b o 码结合网格编码调制( tcm ) 空时码可以克服帧误差率随帧长增加而增加的问题，2第一章绪论并可大大降低码结构和信道结构的相互作用 5 ；正交频分复刖fo f b b l ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，i e 交频分复用) 和多入多h ( m i m o ) 的结合 6 呵望在更大程度【：提商数据传输速率。m i m o 系统在一定程度l 二可以利用传播中多径分量，也就是浇m i m 可以抗多径衰落但是对于频率选择性深衰落，m i m o 系统依然是无能为力。目河解决m t m o 系统中的频家选择性衰落的方案般是利用均衡技术，还有+ 种是利用o f d m 。大多数研究人员认为o f d m技术是d g 的核心技术，4 g 需要极高频谱利用率的技术，而o f d m 提高频谱利用率的作用毕竟足有限的，在o f d m 的基础卜合理) i ：发空l 碰资源，也就是m i m o + o f d m ，可以提供更高| ：f 勺数撅传输速率。诸如此类帽关的研究升i 仪推动着空时处理技术的不断发展，也促进了龙线通信技术的不断向前迈进。1 3 本文主要研究内容空时处理技术能很好的结合时间处理和空间处理的特点，是近年来信号处理领域内关注的热点。由于空时处理技术的优势，移动通信系统正在采用空时处理技术来抵消系统干扰、改善处理增益、提高系统容量。本论文主要研究空时处理技术在移动通信系统应用中的空时编码和解码技术，并级联空时码和卷积编码来对系统进行仿真。空譬编码足应用于无线通信寸的一种新的编码和信号处理技术，它将信道编码技术与阵列处理技术相结合，采用这种编码技术以后，可以大幅度地提高无线通信系统的信道容量和传输速率，并能有效地抗衰落、抑制干扰和噪声。本论文在对研究背景和意义进行分析的基础上，首先讨论了i v l i m o 技术及m i m o 的基本内容空时编码问题，分析了三种典型的空时码的基本结构和编解码原理，并在此基础上给出了基于正交空时分组码的一种简化译码方法的原理和仿真实现，最后给出这种简化译码方法在级联空时码和卷积码情况下的仿真实现。具体内容安排如下：第一章讨论了空时码研究的背景和意义，给出空时码的发展历程以及与其相关的空时处理研究内容。第二章详细地讨论了空时处理技术，在此基础匕深入地分析了空时码中三种典型的空时码的基本结构和编解码原理，即分层空时码、空时栅格码和空时分组第一章绪论码，并对这三种空时编码进行了比较，最后给出了空时编码设计准则。第三章从a l a m o u t i 发射分集方案出发，对正交空时分组码编码结构及设计进行了详细的描述，并就其译码方法进行了深入地分析和讨论。第四章在c a r v u s 最大似然译码方法的基础上，从几何分析的角度出发，给出一种正交空时分组码的简化译码方法，并就该译码方法的译码原理和算法进行了深入的分析，同时，在此基础上给出仿真结果并对结果和复杂度进行了分析。第五章讨论了级联编码的级联方式，在分析了卷积编码的译码后，给出将卷积码和空时分组编码相结合的级联方案，并将给出的正交空时分组码的简化译码方法应用到级联编码方案中，最后给出相应的仿真结果和分析。第六章概括性地总结了全文的主要研究，并指出将来进一步研究的问题和需要做的工作，同时对空时码的发展也进行了展望。4塑兰望l 一! ! 丝垫查塑窒堕塑- _ _ _ _ _ _ p _ _ - - _ _ _ “w _ m - _ m _ h _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - t第二章m i m o 技术和空时码随着无线多媒体业务的开展，下一代移动通信要求的容量是目前的3 - 5 倍，甚至更高。因此，当g j f o s e h i n i 等人指出采焉m i m o 技术可以明显改善信道容量后，人们开始把目光转到对天线阵列的研究上，并在a t & t 实验室的t r a o k h等人研究的基础上，提出了充分利孀m i m o 信道容量的空时编码方案。本章就m i m o 技术和空时编码技术进行细致的讨论。2 1m i m o 技术m i m o 技术就是利用多天线，为系统提供空间复用增益和空间分集增益，从丽抑制信道衰落、提离系统容量。空闯复用技术可以大大提高信道容量，雨空闻分集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。2 1 1m i m o 原理s 疆)空对信源编码图2 ，lm i m o 系统原理框图通常，多径都会引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究的结果表明，对于m i m o 系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。m i m o 系统在发射端和接收端都采用多天线，m i m o 的多入多出就是针对多径无线信道来说的。图2 1 给出了m i m o 系统的原理框图。在发射端，传输的信息流j ( | j ) 经过空时编码器后输出个信息子流c ，( 是) ，i = 】，。这个子流从个天线同时发射出去，经过空间信道的传输和衰落后，在接收端由肘个接收天线接收。空时解码对接收到的信息进行译码处理，从而得到发射端发射的信息流s ( k ) 的估计s ( k ) 。第二章m i m 0 技术和空时码需要指出的是：这个子流同时从这个天线上发射到信道，各发射信号占用同一频带，因此并没有增加带宽。若各发射和接收天线间的间距大于相关距离，则各信道是相互独立的不相关衰落信道，从而m i m o 系统就产生了多个并行空间信道。通过这些并行空问信道独立地传输信息，数据率就必然可以提高。2 1 2m i m o 系统信道容量空间复用技术由于在接收端和发射端使用多副天线，充分利用空f 刮传播中的多径分量，在同一频带上使用多个数据通道( m i m o 子信道) 发射信号，从而使得容量随着天线数量的增加而线性增m 1 1 1 2 6 ，2 7 ，2 8 】。这种信道容量的增加不需要占用额外的带宽，也不需要消耗额外的发射功率，因此是提高信道和系统容量一种非常有效的手段。f o s c h i n i 等人在文献 7 1 0 p 从信息论的角度研究了m i m o 系统在衰落信道中的信道容量：如果接收机能准确估计信道状态，并保证不同发射和接收天线之间的衰落相互独立，在相同的发射功率和带宽下，一个拥有个发射天线和m 个接收天线的系统能达到的信道容量近似为：c = m i n ( m ，n ) b l 0 9 2 ( p 2 ) b s其中c 是信道容量，b 为信号带宽，p 为接收端平均信噪比，m i n ( m ，n ) 为m ，的较小者。上式表明，功率和带宽固定时，m i m 0 的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。因此，m i m o 技术对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜力。2 1 3 空间分集技术分集技术【2 9 ，3 0 1 是通信中一种用相对较低的投资就可以大幅度地改进无线链路性能的强有力的接收技术。它的概念可以简单地解释为：如果一条无线传播路径中的信号经历了深度衰落，而另外一条相对独立的路径中可能仍包含着较强的信号，因此可以在多径信号中选择两个或两个以上的信号作为接收信号，这样做的好处就是它对于接收端的瞬时信噪比和平均信噪比都有提高。而空间分集，也被称为天线分集，是无线通信中使用最多的一种分集形式。传统无线蜂窝系统6第二章m i m o 技术和空时码的发射机和接收机天线是由竖立很高的基站天线和贴近地面的移动台天线所组成。在这种系统中，并不能保证在发射机和接收机之间存在一个直线路径，而且移动台周围物体的大量散射也可能导致信号的r a y l e i g h 衰落。因此，j a k e s 2 2 1推断出：如果两个天线间的相隔距离等于或大于半波长，那么从不同的天线上接收到的信号包络将基本上是非相关的，这样就可以实现信号空间分集接收。空间分集技术既可以用于移动台，也可以用于基站，还可以被同时用于两者。图2 2 给出了空间分集的一般结构图 2 1 。按照使用场合的不同，空间分集技术通常可以分为接收分集和发射分集两类。 可变增益g l 卜l 可变增益g 2 卜切换逻辑或解调器i 可变增益g 邢f ，图2 2 空间分集的一般结构图o 接收分集接收分集 3 1 一般是用两副或者多副大于相关距离的天线同时接收信号，然后在基带处理中将多路信号合并。接收分集技术一般可以分成最大比率合并( m r c ) 、等增益合并( e g c ) 、选择分集合并( s d c ) 和反馈分集合并( f d c ) 四种类型。在最大比率合并的接收中，它对m 路信号进行加权，而权重是由各路信号所对应的信号电压与噪声功率的比值所决定的。最大比率合并的输出s n r 等于各路s n r 之和，所以，即是当各路信号都很差，使得没有一路信号可以被单独解出时，最大比率合并算法仍然有可能合成出一个达到s n r 要求的可以被解调的信号。因此，所有已知的线性分集合并方法中，这种方法的抗衰落统计特性是最佳的。等增益合并接收是把各支路信号进行同相后再相迭加，只不过加权时各个支路的权重是相等的。这样，接收机可以从大量不能够解调出来的信号中合成出一第二章m i n l 0 技术和空时码个可调信号的概率仍然很大，由于使用了相同的权重，因此，其性能要比最大比率合并稍差一些。选择分集合并是最简单的分集技术，在接收中，只是简单地选择m 路信号中的一个质量最好的天线的信号，并使用该信号作为接收到的信号。反馈分集合并，也称为扫描分集合并，它不是总采用r n 个支路中信号最好的支路，而是以个固定顺序扫描m 个支路，直到发现某一个支路的信号超过了预定的阈值，然后这路信号将被选中并送到接收机。一旦这路信号降低至阈值以下，那么扫描过程将重新开始。与其它方法相比，它的抗衰落统计特性稍差一些，但是它的优点是易于实现，只需要一个接收机即可。b 发射分集发射分集 3 0 ，3 2 】就是将分集的负担从终端转移到基站，然而采用发射分集的主要问题是在发射端不知道衰落信道的信道状态信息( c g i ) 。因此，必须采用信道编码以保证各信道具有良好的性能，具体是采用空时编码技术。空时编码( s t c ) 是信道编码设计和多发射天线的结合，由a t & t 实验室的t a r o k h 等人提出。空时编码在将数据分成个数据子流在副天线上同时发射时，建立了空间分离信号( 空域) 和时间分离信号( 时域) 之间的关系，而且在采用最大比率接收合并( m r r c ) 技术接收时，这些空时码方案可以获得相同的分集增益。除了分集增益以外，好的空时码还可以获得一定的编码增益。基于发射分集的空时码可分为空时格码和空时分组码。空时格码有较好的性能，但其译码复杂度与传输速率成指数关系，实现难度较大。s m a l a m o u t i在文献 3 中论证了通过一定的信道编码可以将1 2 的接收分集增益，转换成21 的发射分集增益而不会损失分集增益，这可以认为是空时块码的原始模型。在这个基础上t a r o k h 等人提出了空时分组码的概念。基于正交设计理论的空时分组码在性能上稍逊于空时格码，但其译码复杂度很低，还可能得到最大的分集发射增益。2 2 空时码概述为充分利用m i m o 信道的容量，许多学者和研究者提出了不同的空时处理方案，贝尔实验室的f o s c h i n i 等人提出了一种分层空时编码结构( b l a s t ：b e l l第二章m i m o 技术和空时码l a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e t i m e ) ，它将信源数据分成几个子数据流，独立地进行编码调制，因而它不是基于发射分集的。a t & t 的t a r o k h 等人在发射延迟分集的基础上正式提出了基于发射分集的空时编码。同时，a l a m o u t i 提出了一种简单的发送分集方案，而t a r o k h 等人则把它进一步推广提出了空时分组编码。空时编码是一种把编码、调制和空问分集结合起来的新兴技术。典型的空时码主要有分层空时码( l a s t c ) 、空时格码( s t t c ) 、空时分组码( s t b c ) 等三种。其中，空时分组码和空时格码是基于发射分集的两种编码方式。下面就分别介绍这三种空时码。2 2 1 分层空时码 固多广路l 一编码器2f分一一解器恼波一译码器1 卜柬形成一译码器2p复空用一间器分丁耐离接收端图2 3 分层空时码原理结构框图a 分层空时码的结构分层空时码( l a y e r e ds p a c e t i m ec o d e s ，l s t c ) 是最早提出的一种空时编码方式 8 ，9 ，1 0 1 ，其结构框图如图2 3 所示。它的基本思想是把高速数据业务分解为若干低速数据业务，通过普通的并行信道编码器编码后，对其进行并行的分层编码。编码信号经调制后从多个天线发射，实现发送分集。从图中可以看出，原始信息比特首先被分解成以个并行的数据流( 称为层) ，并将它们送入不同的编码器，然后再将编码器的输出调制后从不同的天线上发送出去。所有的数据在同一个频段内传输，所以带宽效率非常高。接收机端首先使用一个波束形成空间分离器来分离不同的编码数据流，然后将数据送入不同的解码器，解码器的输出再重新组合建立原始的信息比特流。这样，无线通信中不可避免的多径，反而提供了并行的信道，这样提高了数据传输速率。并且，与通常的系统相反，越多的多径信道，就能传输越高的数据速率。第二章m i m 0 技术和空时码鬻l 一困网回圈一鬻z 一圈囤网囤一输出u ul ju搿。一圈圈网圈一输出ll l l至发射天线1至发射天线2至发射天线3i l l 时间轴3210( a ) 水平分层空时码( h l s t )编码器l 编码器3 编码器2 编码器1输出输出输出输出j11 r丫一冈冈同r 石习卜至发射天线11 _ -一圈叵罔回一一匣圈网囹一至发射天线2至发射天线3】l j _ 卜时间轴3210( b ) 垂直分层空时码( v l s t )编码器l输出编码器3 编码器2 编码器1输出输出输出lj审审r r r ic 0 31lc 0 2 | jic o li 卜至发射天线1l jl 。- jl _ j区圈圈园田一( c ) 对角分层空时码( d l s t )图2 4 分层空时码b 分层空时码的分类至发射天线2至发射天线3时间轴第二章m i m o 技术和空时码根据发射端信源与发射天线之间的映射关系不同，可将它分为水平分层空时码( h o r i z o n t a l l yl a y e r e ds p a c e - t i m e ，h l s t ) 、垂直分层空时码( v e r t i c a ll a y e r e ds p a c e t i m e ，v l s t ) 和对角分层空时码( d i a g o n a l l yl a y e r e ds p a c e t i m e ，d l s t )三种 2 5 ，3 3 ，3 4 ，它们的结构分别如图2 4 中( a ) 、( b ) 、( c ) 所示，图中的元素c 。表示在i 时刻从第，个信道编码器输出的码元。从图中可以看出，h l s t 的各层之问没有实现信息共享，所以其空时性能较差。v l s t 对信道编码器的输出按垂直方向进行空间编码，第一个信道编码器输出的开始, 个码元排在第一列，第二个信道编码器输出的开始 个码元排在第二列，一般第i 个信道编码器输出的第批n 个码元排在第( i + ( ，一1 ) + ”) 列，”为发射天线个数。编码后的空时码元矩阵中的每一列，经这n 个发射天线同时发送出去。可以看出，与h l s t 不同，v l s t 实现了各层信息的共享，具有较好的空时特性和层次结构。d l s t 编码器接收从并行信道编码器输出的码元序列，按对角线进行空间编码，第一个信道编码器输出的开始n 个码元排在第一条对角线，第二个信道编码器输出的开始聍个码元排在第二条对角线，一般第i 个信道编码器输出的第，批 个码元排在第( f + ( ，一1 ) + 胛) 条对角线。编码后的空时码元矩阵中的每- - 歹t j ，也经n 个发射天线同时发射。d l s t 各层数据流之间存在着空时编码，因而也具有较好的空时特性和层次结构，具有很高的频谱利用率，但是它有n ( n 一1 ) 2 比特的传输冗余。c 性能分析由于分层空时码在解码时只利用了信道信息，所以其性能在很大程度上依赖于信道的衰落环境和对信道衰落特性估计的准确性，只有当各子信道所受的衰落差异较大时，才能较好的恢复发送信号。与其它空时码相比较，虽然分层空时码有较高的频谱利用率，但是无法达到最大分集增益，性能相对较差。虽然分层空时码在性能上有一定损失，但它的高频带利用率却受到了人们的关注，如果能进一步提高其性能，分层空时码将是一种很好的无线组网方式，随着分层空时码在c d m a 中的应用方案 1 1 】和t u r b o 一分层空时码【1 2 的提出，增加了人们将它实用化的信心。第二章m i m 0 技术和空时码2 2 2 空时格码a 空时格码的结构空时格码( s p a c e t i m et r e l l i sc o d e s ，s t t c ) 是继分层空时码之后被提出的另一种空时编码技术 5 】，它的原理结构框如图2 3 所示。它是在延时分集基础上结合t c m 编码提出的，实际上是传输分集方式的改进。s t t c 把编码和调制结合起来，综合考虑了编码增益和分集增益的影响，充分利用多发送天线的空间分集和信道编码及交织的时间分集，提高了频带利用率。格型编码器采用多进制调制方式，可以提高系统的传输速率，但采用多进制后，信号之间的差别减小，要达到相同的误码率性能，多进制方式所需的信噪比要比二进制高，所有，只有在信道衰落较小时，才可以考虑使用更高频谱效率的调制方式来提高平均数据速率。空时格码编码方案可以获得与最大比合并接收m r r c ( m a x i m a lr a t i or e c e i v ec o m b i n e ) 相同的分集增益( d i v e r s i t ya d v a n t a g e ) 。除了分集增益外，良好的空时格码还可以获得大量的编码增益。图2 5 空时格码原理结构框图b 空时格码的编解码从图2 5 可以看出，在进行一般的信道编码，并把比特流映射在一定的信号星座图后，如q p s k 、8 p s k 、1 6 q a m 等星座图，格型编码器根据输入符号及编码器所处的状态，决定栅格图中的一个分支作为编码器的输出，一个分支上的”个符号分别在”个发送天线上发出。可见格型编码器是空时格码中最主要的部件，而空时格码则实质上是一种发送分集技术，采用延迟分集将频率非选择性信道变为频率选择性信道从而在接收端可以获得更大的分集增益。我们以q p s k 调制的4种状态格型编码器，2 个发射天线为例来说明它的编码原理，如图2 6 所示。第二章m i m o 技术和空时码信息源同时将每2 比特分成一组同时送入格型状态编码器，编码器将编码后的4 个信息 i 特分成两组著彳亍输出，在通过辣冲成形及调制后，将每组信息晓特各自映射成为相应的q p s k 星座符号从两个天线上同时发射出去。其网格状态转移图如2 6 右图所示。右边的矩阵中，每一行的元素量岛中，墨表示从第一个天线上发射出去的字笱，岛表示从第二个天线上发射出去的字符，其中s ，岛分别是输出的两组2 比特的编码输出经过调制器映射的q p s k 星座符号。从每个状态出发，最上面的分支对应于输入比特全为0 ，第二个分支对应输入比特为0 l ，接着第三个分支对应输入比特为1 0 ，最下面的分支对应输入比特为1 1 的情况。1 。l2 厂、“。、夕0 00 10 20 31 01 11 21 32 02 12 22 33 03 13 23 3图2 6q p s k 星座映射和网格状态转移图僻诒格形编码器的初骆特杰n 尊骨送的信息符号县i ( 1 0 0 1 n n 1 l ，0 1 ) 。由于编码器初始状态为0 ，要发送的第一个比特为2 ，从据格图中可以看成，这对应于栅格图中从状态0 出发的第三个分支，下一个时亥5 的状态则转移到状态2 ，编码器输出为右面的0 2 ，也就是说从天线l 上发送0 ，从天线2 上发送2 ；要发送的第二个比特为1 ，当前状态为2 ，对应于栅格图中从状态2 出发的第二个分支，下一个时刻的状态转移到状态l ，编码器的输出为右面的2 l ，也就是说从天线l 上发送2 ，从天线2 上发送l ；要发送的第三个比特为0 ，当前状态为1 ，对应予栅格图中从状态l 出发的第一个分支，下一个时刻的状态转移到状态0 ，编码器的输出为右面的l o ，也就是蜕从天线l 上发送1 ，从天线2 上发送0 。依次类推，可以得到编码器的输出为：( 0 2 ，2 1 ，1 0 ，0 3 ，3 1 ) 。也就是说从天线1上发送的符号为( o2l03 ) ；从天线2 上发送的符号为( 2l031 ) 。空时格码的解码主要基于v i t e r b i 解码算法，解码器基于接收阵列上可观测的信号柬跟踪编码器的状态发生器，常用的解码方法是采用v i t e r b i 算法对原始码元序列进行最大似然判决。第二：章m i m o 技术和空时码假设发射的编码信号矢量为c = c l ，c 2 ，c 三，在接收端接收到的传输矢量为r = ，r 2 ，t 。最佳的译码方法是在所有可能的编码矢量集合中寻找这样一个码矢量序列c 。= c ：，c ；，c ：，使得它满足概率p r ( c r ，h ( 0 ，= l ，2 ，l ) 最大，这个c 1 就作为解码后的码矢量。假设所有码字是等概率的，而噪声矢量为多元的高斯自噪声，最佳译码以可以通过找最近的欧氏距离来实现，即c = a r s d 瓢：舢沪厩当空时格码采用前面的格形编码实现后，这种译码方式就可以通过v i t e r b i算法来实现，在进行加一比选操作时，首先对进入同一状态的分支计算出这些分支与接收信号矢量间的欧氏距离，选择出最小欧氏距离的分支，同时舍去其它分支。计算转移分支与接收信号矢量的欧氏距离可以通过下式实现：m2i 。一吩，。q i ，其中珂和脚为发射天线和接收天线的数目。c 性能分析空时格码具有很好的分集增益，但是它的译码复杂度很高，在发射天线数目固定时，其译码复杂度随着发射速率的增加呈指数增加。因此，译码复杂度成了阻碍空时格码在实际中得到应用的一个很重要的因素。此外s t t c 的好码设计也是一个难点，其关键在于决定编码器的状态转移图，在状态数大的情况下，好码的格型图设计也十分困难，目前大部分都是靠计算机搜索来完成。2 2 3 空时分组码为了减少空时格码的译码复杂度，a l a m o u t i 在文献 3 】中提出了一个简单的2发射1 接收的发射分集方案，后来t a r k h 等人在文献 4 q b 概括总结成了一类新的空时码，即空时分组码( s t b c ：s p a c e t i m eb l o c kc o d e s ) 。s t b c 把输入符号分组映射到空域和时域，产生正交序列，通过不同的发射天线发送。它具有较低的译码复杂度，利用简单的最大似然译码算法即可，而且还可以获得与最大比合并接收相同的分集增益。因此，它易于在基站实现，但它的缺点就是不能提供事实4第二奄m i m 0 技术和空时码上的编码增益。图2 7 给出了s t b c 的原理结构示意图。我们将在后面的章节中详细讨论空时分组码的有关问题。j厂一h 调制 【空时j寺i 码元h 分组i 映射1i 编码l iif。l 一一发射端一v寸厂空时司 解懈r 簇翥r j 卦i 解码l1 映射l【器u 接收端l 一图2 7 空时分组码原理结构框图2 2 4 空时码性能比较分层空时码与基于发射分集的空时格码和空时分组码都具有较为优越的性能，但是它们在译码复杂度、最适于何种信道环境、对天线的要求等方面有所不同【3 4 。表2 1 给出了它们在这些方面的比较。表2 1 分层空时码与基于发射分集的空时码的比较分层空时码基于发射分集的空时码是宙量于发射秀集口是对信道环境的要求般为室内环境不要求对接收天线的要求接收天线不少于发射天线不要求译码复杂度较低空时分组码比空时格码的译码复杂度低2 - 3 空时码的设计准则在上一节中，我们分别阐述了三种基本的空时编码，那么如何设计一个空时码昵? 下面我们就对空时码的设计准则进行进一步的探讨。假设一个具有仃发射天线，m 接收天线的多天线系统，信道为准静态平坦r a y l e i g h 衰落，准静态的意思即为在一个数据块时间内信遴特性不变，从而可以保证在一个数据块内，信道的传递函数固定。我们以f 个时段内的数据符号为一帧来考虑空时码，假设p = e 扣? p 1 n 9 2 1 p ；p 2 n g f l g ，2 p ? 与l5堡三童i ! ! 塑垫查型窒堕塑一”7i 、7 c = c k - _ c n c ：1 c ；c 2 n f ，1 c ，2 c ? 为码组中的两个码字。假设在接收端可准确地估计出衰落信道的路径增益，这在现实中也是可行的。当发送端发送的码字是c 而被错误地判断为e 的概率则为：p ( e lc w hi = 1 ，2 ，玎，j = 1 “2 一珊) = q ( d 。厄扛再)e x p ( _ 。e 。4 n o )( 2 1 )其中：也，。表示两码字的距离，即。= 羔。；- ，f 三，( c j p 叫2 ；n 。2 是每个接收天线的噪声单边功率谱密度；e 表示为星座图中每个信号点的平均能量，